铁及其化合物
从生活中的铁元素出发，系统学习铁单质、氧化物、氢氧化物和盐的性质、反应及相互转化，掌握Fe²⁺和Fe³⁺的检验与氧化还原规律。
一、概念导入——无处不在的铁
同学们，每天早晨你打开水龙头，流出的水可能经过铁制水管；你用的锅铲、菜刀是铁的；甚至你身体里红血球的“血红蛋白”也含有铁元素。铁是地球上含量最丰富的金属之一，也是人类使用最广泛的金属。那么，铁究竟有哪些化学性质？它的“兄弟姐妹”——FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄、Fe(OH)₂、Fe(OH)₃以及FeCl₂、FeCl₃等，又各有什么脾气？今天我们就一起走进“铁家族”。
二、核心讲解
1. 铁单质（Fe）
物理性质：银白色金属、有金属光泽、良好的导电导热性、有铁磁性（可被磁铁吸引）。
化学性质：铁是比较活泼的金属，在金属活动性顺序中位于氢之前。
- 与非金属反应：铁在纯氧中燃烧生成Fe₃O₄（火星四射）；与Cl₂反应生成FeCl₃；与S反应生成FeS。
- 与酸反应：与稀盐酸、稀硫酸反应生成Fe²⁺和H₂（Fe + 2H⁺ → Fe²⁺ + H₂↑）。注意：常温下铁与浓硫酸、浓硝酸发生“钝化”（表面形成致密氧化物膜）。
- 与盐溶液反应：铁能置换出活动性较弱的金属，如Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu（古代湿法炼铜的原理）。
2. 铁的氧化物
- FeO（氧化亚铁）：黑色粉末，不稳定，易被氧化为Fe₂O₃。与酸反应生成Fe²⁺。
- Fe₂O₃（氧化铁，俗称铁锈、铁红）：红棕色粉末，性质稳定，与酸反应生成Fe³⁺。用作红色颜料、炼铁原料。
- Fe₃O₄（四氧化三铁，俗称磁性氧化铁）：黑色晶体，有磁性，是铁的混合价态氧化物（FeO·Fe₂O₃）。与酸反应生成Fe²⁺和Fe³⁺混合。
3. 铁的氢氧化物
实验室制备：可溶性亚铁盐和铁盐与碱溶液反应。
- Fe(OH)₂（氢氧化亚铁）：白色固体，但极易被空气中氧气氧化→迅速变为灰绿色→最终变为红褐色Fe(OH)₃。该反应是检验Fe²⁺的常用现象。
- Fe(OH)₃（氢氧化铁）：红褐色固体，加热分解为Fe₂O₃和水。
4. 铁盐（Fe²⁺与Fe³⁺）
Fe²⁺（亚铁离子）：浅绿色溶液，具有还原性，易被氧化为Fe³⁺。
Fe³⁺（铁离子）：棕黄色溶液，具有氧化性，可被还原为Fe²⁺。
检验方法：
- 加KSCN溶液：Fe³⁺变血红色（Fe³⁺ + 3SCN⁻ → Fe(SCN)₃），Fe²⁺不显色，可先加KSCN无变化，再加氯水变红，证明含Fe²⁺。
- 加NaOH溶液：Fe²⁺生成白色沉淀迅速变色，Fe³⁺直接生成红褐色沉淀。
三、推导/过程——铁三角转化
铁单质、Fe²⁺、Fe³⁺之间有如下转化关系（被称为“铁三角”）：
典型反应举例：
Fe → Fe²⁺：Fe + 2HCl == FeCl₂ + H₂↑
Fe²⁺ → Fe³⁺：2FeCl₂ + Cl₂ == 2FeCl₃
Fe³⁺ → Fe²⁺：2FeCl₃ + Fe == 3FeCl₂
Fe → Fe³⁺：2Fe + 3Cl₂ == 2FeCl₃（点燃）
Fe³⁺ → Fe：Fe₂O₃ + 3CO == 2Fe + 3CO₂（高温炼铁）
四、典型例题
例1（易）：铁钉放入稀硫酸中，产生的气体是什么？溶液颜色如何变化？
解：铁与稀硫酸反应：Fe + H₂SO₄ == FeSO₄ + H₂↑。气体为氢气，溶液由无色变为浅绿色（Fe²⁺颜色）。
例2（中）：如何证明某FeCl₃溶液中含有Fe²⁺？请写出实验操作和现象。
解：取少量溶液于试管中，先加入KSCN溶液，溶液不变红（说明无Fe³⁺？不，这里FeCl₃本身含Fe³⁺，所以应该先加KSCN变红；如果要证明含有Fe²⁺，需要先加KSCN（变红），再加少量铁粉振荡，红色褪去，再加KSCN不变色？但这样证明的是Fe³⁺被还原。正确思路：要检验Fe²⁺的存在，因为有Fe³⁺干扰，可以先加过量铁粉将Fe³⁺还原为Fe²⁺，然后过滤，取滤液加KSCN观察？但更简单的方法是：取样品，滴加酸性KMnO₄溶液，若紫色褪去，说明含有Fe²⁺（Fe²⁺有还原性，Fe³⁺无）。
标准答案：取少量溶液于试管中，滴加少量酸性高锰酸钾溶液，若紫色褪去，则证明含有Fe²⁺；或者取少量溶液，加入KSCN溶液变红（证明有Fe³⁺），再加入过量铁粉，振荡，红色褪去，说明Fe³⁺被还原为Fe²⁺，但这是证明Fe³⁺；要直接证明Fe²⁺可用K₃[Fe(CN)₆]（铁氰化钾）生成蓝色沉淀，但高一未要求。本题可简单回答：利用Fe²⁺的还原性，加酸性KMnO₄，紫色褪去则含Fe²⁺。
例3（稍难）：在硫酸亚铁溶液中滴加NaOH溶液，先观察到______色沉淀，随后迅速变为______色，最终变为______色。写出相关反应的化学方程式。
解：先观察到白色沉淀（Fe(OH)₂），随后迅速变为灰绿色，最终变为红褐色（Fe(OH)₃）。
FeSO₄ + 2NaOH == Fe(OH)₂↓ + Na₂SO₄
4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O == 4Fe(OH)₃
五、常见误区
- 误区1：认为铁与酸反应总是生成Fe³⁺。
纠正：铁与非氧化性酸（如稀盐酸、稀硫酸）反应生成Fe²⁺；只有与强氧化性酸（如浓HNO₃、浓H₂SO₄）或在加热条件下才可能生成Fe³⁺。 - 误区2：混淆Fe₂O₃和Fe₃O₄的颜色和磁性。
纠正：Fe₂O₃红棕色、无磁性；Fe₃O₄黑色、有磁性。 - 误区3：书写Fe(OH)₂制备时忘记隔绝空气。
纠正：Fe(OH)₂极易被氧化，实验时往往需要将胶头滴管伸入液面以下滴加NaOH，或使用煮沸过的蒸馏水、加入少量铁粉等。 - 误区4：认为Fe³⁺与KSCN反应生成的是沉淀。
纠正：生成的是血红色的络合物，可溶。
六、学习建议
- 背熟“铁三角”转化关系，理解氧化剂、还原剂的强弱对产物价态的影响。
- 多做对比实验：如Fe²⁺和Fe³⁺与NaOH、KSCN的反应现象，建立颜色记忆。
- 运用氧化还原反应规律：铁处于中间价态（+2）时既可被氧化又可被还原。
- 善用口诀：“铁变二价弱氧化，铁变三价强氧化；二价铁被强氧变三价，三价铁被还原变二价或铁”。
七、知识链接
- 氧化还原反应：铁及其化合物的许多反应涉及化合价变化，是氧化还原反应的典型实例。
- 金属活动性顺序：铁在活动性顺序中位于氢前，能置换酸中的氢，也能置换铜盐中的铜。
- 钠、铝及其化合物：对比碱金属和铝的氢氧化物性质，理解两性。
- 配位化学基础：Fe(SCN)₃的血红色是配离子的典型例子，为后续学习配位反应埋下伏笔。
八、习题自测
- 下列物质在空气中放置，颜色变化不是由于氧化还原反应引起的是（ ）
A. FeSO₄溶液 B. NaOH溶液 C. Fe(OH)₂固体 D. 铁粉 - 写出除去FeCl₂溶液中混有的FeCl₃杂质的化学方程式。
- 将一定量的铁粉投入FeCl₃溶液中，充分反应后过滤，向滤液中滴加KSCN溶液，不变色。请计算若投入2.8g铁粉，最多可消耗多少克FeCl₃？
参考答案：
1. B（NaOH吸收CO₂生成Na₂CO₃，不是氧化还原；FeSO₄被氧化为Fe³⁺，Fe(OH)₂被氧化为Fe(OH)₃，铁粉被氧化为铁锈）
2. 2FeCl₃ + Fe == 3FeCl₂
3. 解：Fe + 2FeCl₃ == 3FeCl₂，铁粉2.8g即0.05mol，可消耗FeCl₃ 0.1mol，FeCl₃的摩尔质量为162.5g/mol，质量为16.25g。